▉ 前言
2021年11月15日，nature chemical biology杂志发表了题为genetic-code-expanded cell-based therapy for treating diabetes in mice的研究论文。北京大学药学院刘涛团队与华东师范大学生命科学学院叶海峰团队合作开发了基于基因密码子扩展技术的细胞治疗系统，可以跨越传统的转录调控，直接在翻译水平以非天然氨基酸为刺激信号，快速调控药物蛋白表达。研究人员将该系统命名为noncanonical amino acids (ncaas)-triggered therapeutic switch (nats)系统，在糖尿病小鼠上实现了通过口服ncaa快速分泌胰岛素。
▉背景
近年来，以car t细胞为代表的细胞治疗在肿瘤治疗领域获得了极大成功，细胞治疗已经成为人类应对疾病的重要手段。不仅仅是治疗癌症，细胞治疗对其他疾病同样具有广阔的应用前景。
糖尿病是需要终身服药的慢性疾病，全球目前有超过4.6亿糖尿病患者，许多糖尿病患者需要依赖注射胰岛素来控制血糖。即使是长效胰岛素，也需要至少每天注射一次，这为患者带来诸多不便，严重影响病人用药依从性。因此，开发胰岛素注射的替代疗法一直是糖尿病治疗的研究热点。
人胰岛素结构
利用合成生物学原理为细胞设计胰岛素表达调控开关，再将工程化细胞移植到患者体内，相当于为病人安装了新的“胰岛”，使得病人可以通过口服药物来产生所需的胰岛素。细胞治疗不仅可以避免胰岛素注射带来的痛苦，还可以通过信号响应调控胰岛素剂量减少毒副作用。
然而，要实现胰岛素的快速调控并非易事，传统的合成生物学调控工具大多是根据转录水平调控设计的，需要通过刺激信号激活转录因子，启动dna转录，产生mrna后翻译蛋白，难以在短时间内快速释放胰岛素。研究表明，不及时的血糖干预会增加糖尿病并发症风险。因此，亟需开发出新的合成生物学工具，快速调控胰岛素等药物蛋白的表达。
▉方法
基因密码子拓展技术（gce）参考文献1
为了解决调控工具反应时间长的问题，刘涛团队利用基因密码子扩展技术（上图）设计了翻译水平调控开关。基因密码子扩展技术是利用氨酰trna合成酶和trna正交分子对，将ncaa定点插入蛋白质的技术。研究人员在胰岛素基因上引入异位琥珀密码子，琥珀密码子在天然的蛋白翻译过程是终止密码子；但是在基因密码子系统中，由于正交trna的反密码子可以识别琥珀密码子，因此可以在ncaa存在时通读琥珀密码子，翻译目的蛋白。
研究人员将该系统整合到哺乳动物细胞基因组中，构建了细胞治疗系统，即nats系统。体外实验证明，nats系统在ncaa刺激2小时后就可以检测到目的蛋白表达，明显快于经典的转录水平开关tet-on系统。
nats系统的开关调控方式
随后，研究人员着手于将nats细胞移植到糖尿病小鼠体内。为了避免免疫排斥，团队利用细胞包埋技术，将细胞包裹在选择性透过膜内，只允许生物大分子或小分子自由通过，而将免疫细胞隔离在外。
在小鼠口服ncaa后90分钟就可以观察到明显降低血糖效应。这样快速的胰岛素表达效果，是传统的转录水平调控开关无法达到的。
nats系统对糖尿病小鼠的治疗
糖尿病患者需要终身服药，因此药物的安全性和患者的依从性是影响糖尿病治疗的重要因素。许多ncaa本身就是细胞的代谢物质，有些还被作为营养物质添加到食品中。
研究人员将ncaa与小鼠饲料混合制作了“ncaa饼干”，代替普通小鼠饲料喂食糖尿病小鼠，可以实现长达1个月的胰岛素表达和血糖控制，同时提高了给药的方便性。此外，研究人员还做了ncaa的长期毒性实验，在长期服用ncaa的小鼠中并未观察到小鼠有生理指标异常。
nast系统在翻译水平快速调控蛋白表达
▉ 结论
综上，该研究开发了翻译水平调控的药物蛋白调控开关，实现了药物蛋白表达的快速调控，为细胞治疗领域提供了新的调控工具，同时也为基因密码子扩展技术的应用拓展了新的方向。
原文：
1. yujia huang, tao liu；therapeutic applications of genetic code expansion.synthetic and systems biotechnology 3 (2018) 150–158
2. chen, c., yu, g., huang, y. et al. genetic-code-expanded cell-based therapy for treating diabetes in mice. nat chem biol (2021). https://doi.org/10.1038/s41589-021-00899-z
本文摘自---药精通 bio